Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Leitschaufeln einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine.

Turbinenschaufeln unterliegen im Betrieb von Gasturbinen, insbesondere Fluggasturbinen, hohen Belastungen. Diese Belastungen führen zu dreidimensionalen Formabweichungen an den Turbinenschaufeln sowie zu Beschädigungen, was eine regelmäßige Wartung bzw. Reparatur erforderlich macht. Dabei werden Beschädigungen durch Löten oder Schweißen repariert, wobei anschließend in manueller Arbeit (Schleifen) ein Abtragen von zu viel aufgetragenem Material erfolgt, um die Turbinenschaufel wieder in eine einsatzbereite Form zu bringen. Das manuelle Abtragen von Material führt allerdings dazu, dass die reparierten Turbinenschaufeln nicht eine für den Betrieb optimale Form bzw. Kontur aufweisen, was sich insbesondere in dem relevanten Bereich des A4-Querschnitts besonders negativ auswirkt, so dass Leistungsverluste der Gasturbine daraus resultieren. In der Konsequenz ergeben sich erhöhte Kraftstoffverbräuche und CO2 Emissionen sowie verminderte Laufzeiten durch erhöhten Verschleiß der Turbinen bis zur nächsten notwendigen Generalüberholung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem die obigen Nachteile verringert oder gar vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst:

• Bereitstellen von wenigstens einer zu wartenden Leitschaufel (10, 10');
• Erfassen der Ist-Geometrie der zu wartenden Leitschaufel (10, 10') unter Anwendung von wenigstens einem Messverfahren;
• Vergleichen der durch das berührungslose Messverfahren erfassten Ist-Geometrie mit einer vorbestimmten Soll-Geometrie (SG) für einen entsprechenden Leitschaufeltyp;
• Berechnung einer Zielgeometrie (ZG) für die zu wartende Leitschaufel (10, 10'), die soweit möglich der Soll-Geometrie (SG) entspricht, derart dass unter Verwendung von Optimierungsparametern die Soll-Geometrie (SG) der zu wartenden Leitschaufel (10, 10') wenigstens abschnittsweise entlang ihrer Strömungskontur angenähert wird;
• Aufbringen und maschinelles Abtragen von Material (22) an der zu wartenden Leitschaufel (10, 10'), derart dass die berechnete Zielgeometrie (ZG) hergestellt wird.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren soll das Abtragen von Material automatisiert bzw. maschinell erfolgen unter Bezugnahme auf die berechneten Optimierungsparameter. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der Materialabtrag insbesondere in besonders relevanten Bereichen einer Strömungskontur der Leitschaufel und vorzugsweise auch wiederholt für verschiedene Leitschaufeln, so exakt erfolgen kann, dass die Strömungskontur möglichst optimal ausgebildet werden kann für die weitere Verwendung der reparierten Leitschaufel im Betrieb einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine.

Es ist bevorzugt, dass die Ziel-Geometrie (ZG) der zu wartenden Leitschaufel (10, 10') so berechnet und wiederhergestellt wird, dass insbesondere die Strömungskontur im Bereich des A4-Querschnitts (QS) der zu wartenden Leitschaufel (10, 10') der Strömungskontur der Soll-Geometrie (SG) im Bereich des A4-Querschnitts möglichst gut angenähert wird. Die Ziel-Geometrie der zu wartenden Leitschaufel soll also in dem Bereich ihrer Strömungskontur wiederhergestellt wird, der mit der Strömungskontur einer benachbarten Leitschaufel den A4-Querschnitt bildet. Der A4-Querschnitt liegt dabei etwa entlang einer Verbindungslinie zwischen einem Hinterkantenbereich einer Druckseite der einen Leitschaufel und einem zentralen Bereich einer Saugseite der anderen Leitschaufel. Der A4-Querschnitt bezieht sich auf den engsten Querschnitt im Triebwerk, der sich üblicherweise in der ersten Turbinenstufe hinter der Brennkammer befindet. Speziell in diesem Bereich ist es besonders relevant, dass der Abstand zwischen den benachbarten Leitschaufeln, insbesondere der Abstand zwischen der Saugseite der einen Leitschaufel und der Druckseite der anderen Leitschaufel optimal eingestellt ist. Eine Vergrößerung dieses Abstandes führt zu verschlechterten Strömungsverhältnissen und somit einem schlechteren Wirkungsgrad der Gasturbine.

Bevorzugt kann das Auftragen und Abtragen von Material entlang einer Saugseite der Strömungskontur der Leitschaufel von einer Vorderkante bis zu einer Hinterkante der Leitschaufel erfolgen. Das Abtragen von Material kann durch automatisiertes Fräsen oder/und Schleifen oder/und durch ein sonstiges automatisiertes spanendes Verfahren durchgeführt werden.

Weiterbildend wird vorgeschlagen, dass das Aufbringen von Material durch Löten, insbesondere Diffusionslöten erfolgt.

Das Auftragen von Material kann automatisiert oder/und manuell erfolgen. Beim Auftragen von Material kommt es nicht auf eine absolut exakte Menge von Material an, die aufgetragen wird, vielmehr muss sichergestellt werden, dass die Verbindung zwischen dem aufgetragenen Material und dem Grundkörper der Leitschaufel optimal hergestellt ist, so dass dann das überschüssige Material automatisiert abgetragen werden kann, um die optimale Strömungskontur wieder herzustellen.

Ferner kann das Aufbringen von Material in Abhängigkeit von der erfassten Ist-Geometrie und von der Soll-Geometrie durchgeführt werden. Dabei können berechnete Daten für das Aufbringen von Material einer automatisierten Löt- oder Schweißeinrichtung zugeführt werden, die dann aufgrund dieser Daten, entsprechende Materialmengen an den entsprechenden Stellen der Leitschaufel aufbringt. Bei einer manuellen Bearbeitung können Stellen und aufzutragende Materialmengen beispielsweise in Form einer Zeichnung auf Papier oder dargestellt auf einem Bildschirm einer Person zur Verfügung gestellt, werden, die den Materialauftrag manuell durchführt.

Bevorzugt wird nach dem Auftragen von Material auf die Leitschaufel ein weiteres Einmessen, insbesondere als automatisiertes Messverfahren, durchgeführt, um die Leitschaufel für das Abtragen des Materials zu positionieren. Bei diesem Einmessen kann insbesondere sichergestellt werden, dass die zu reparierende Leitschaufel in einer Referenzposition angeordnet ist bezogen auf ein räumliches Koordinatensystem, das für das automatisierte Abtragen von Material verwendet wird. Diese Referenzposition kann beispielsweise die gleiche Ausrichtung bzw. Lage der Leitschaufel im Raum sein, wie bei der Erfassung der Ist-Geometrie vor dem Schritt des Materialauftragens.

Es wird vorgeschlagen, dass die Soll-Geometrie eine Annäherung an eine Ursprungsgeometrie oder die Ursprungsgeometrie der Leitschaufel ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Soll-Geometrie als Annäherung an die Ursprungsgeometrie durch eine Vermessung bestimmt wird, die an einer neuwertigen Leitschaufel durchgeführt wird. Alternativ kann die Soll-Geometrie als Ursprungsgeometrie aus Konstruktionsdaten einer Leitschaufel abgeleitet werden. Ferner ist es auch möglich, Konstruktionsdaten zu verwenden, die aus einer Neuentwicklung einer Leitschaufel stammen.

Durch die vorgeschlagenen Verfahren zur Erfassung der Soll-Geometrie können zum einen Leitschaufeln repariert werden, die von einem Hersteller stammen, auf dessen Konstruktionsdaten nicht zurückgegriffen werden kann. Eine solche Leitschaufel kann dann beispielsweise mittels eines dreidimensionalen Scannings (Laserscanning oder dergleichen) oder anderen bildgebenden Verfahren mit ihren Außenkonturen erfasst werden, um hieraus eine Soll-Geometrie zu bestimmen. Zum anderen ist es möglich Leitschaufeln zu reparieren, von denen man ursprüngliche Konstruktionsdaten kennt.

Die bereitgestellte Leitschaufel ist vorzugsweise einer Hochdruckturbine, insbesondere der ersten Hochdruckturbinenstufe, die sich direkt an die Brennkammer anschließt, entnommen. Diese Leitschaufeln der ersten Hochdruckturbinenstufe unterliegen in besonderem Maße der Abnutzung bzw. Verformung im Betrieb aufgrund des nach der Brennkammer herrschenden hohen Drucks und der hohen Temperaturen.

Die aufgeführten Verfahrensschritte können wiederholt durchgeführt werden bis alle Leitschaufeln eines Leitschaufelrings einer Turbinenstufe, insbesondere Hochdruckturbinenstufe repariert sind.

Die Erfindung betrifft ferner auch eine Leitschaufel einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend wenigstens einen Reparaturbereich, der durch das Reparaturverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wiederhergestellt worden ist.

Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Reparatursystem zum Warten von Turbinenschaufeln einer Gasturbine, insbesondere Fluggasturbine, umfassend wenigstens eine Aufnahmeeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine zu wartende Turbinenschaufel zu halten,
wenigstens eine berührungslos abtastende Messvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Ist-Geometrie der zu wartenden Turbinenschaufel zu erfassen;
wenigstens eine automatische Bearbeitungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, Material auf die zu wartende Turbinenschaufel aufzutragen oder/und Material abzutragen, wobei die Bearbeitungsvorrichtung vorzugsweise eine Fräseinrichtung oder/und eine Schleifeinrichtung umfasst;
wenigstens eine Rechnereinheit, die dazu eingerichtet ist,

• die Messvorrichtung oder/und die Bearbeitungsvorrichtung anzusteuern,
• in einem zugeordneten Speicher eine Soll-Geometrie eines entsprechenden Turbinenschaufeltyps zu speichern,
• anhand von Optimierungsparametern und auf Grundlage des Vergleichs von Ist-Geometrie und Soll-Geometrie eine Ziel-Geometrie zu berechnen,
• die Bearbeitungsvorrichtung derart anzusteuern, dass die Ziel-Geometrie der zu wartenden Turbinenschaufel in wenigstens einem Querschnittsbereich wiederhergestellt wird unter Bezugnahme auf die berechneten Optimierungsparameter.

Ein solches Reparatursystem kann beispielsweise durch verschiedene Arbeitsplätze bzw. Maschineneinheiten gebildet werden, an denen die verschiedenen Verfahrensschritte durchgeführt werden und denen eine zu reparierende Leitschaufel sequentiell zugeführt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren beispielhaft und nicht einschränkend beschrieben.

• Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung von zwei Leitschaufeln eines Leitschaufelrings, wobei die Leitschaufeln eine ursprüngliche Strömungskontur aufweisen.
• Fig. 2 zeigt eine vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung von zwei Leitschaufeln eines Leitschaufelrings, wobei die Leitschaufeln eine abgenutzte Strömungskontur aufweisen.
• Fig. 3 zeigt anhand von vereinfachten schematischen Querschnittsdarstellungen die Schritte eines Verfahrens zum Reparieren von zu reparierenden Leitschaufeln aus Fig. 2.
• Fig. 4 zeigt eine vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung von zwei Leitschaufeln eines Leitschaufelrings, wobei die Leitschaufeln repariert sind und eine Strömungskontur aufweisen, die einer optimierten Ziel-Geometrie entspricht.

In Fig. 1 sind beispielhaft zwei in Umfangsrichtung UR einer Turbinenstufe angeordnete Turbinenschaufeln 10 und 10' dargestellt. Die Turbinenschaufeln können Teil eines Leitschaufelrings sein und als Leitschaufeln 10, 10' ausgebildet sein. Die Leitschaufeln 10, 10' sind in der Fig. 1 und auch in den nachfolgenden Figuren als vereinfachte schematische Querschnitte dargestellt. Beide Leitschaufeln 10, 10' weisen eine Strömungskontur 12, 12' auf, mit einer Druckseite 14, 14' und einer Saugseite 16, 16'. Die Druckseiten 14, 14' und die entsprechenden Saugseiten 16, 16' sind jeweils durch eine Vorderkante 18, 18' und eine Hinterkante 20, 20' miteinander verbunden.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Situation von zwei benachbarten Leitschaufeln 10, 10' eines Leitschaufelrings einer Gasturbine wird zwischen allen benachbarten Leitschaufeln jeweils der sogenannte A4-Querschnitt gebildet. Diese A4-Querschnitt kann auch als Abstand zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 10, 10' bezeichnet werden, der in einem bestimmen Bereich gemessen wird. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, wird der A4-Querschnitt QS zwischen der Druckseite 14 der Leitschaufel 10 und der Saugseite 16' der Leitschaufel 10' gemessen. Dabei erstreckt sich die A4-Querschnittslinie QS von einem hinteren Bereich der Leitschaufeln 10, etwa im Bereich der Hinterkante 20, zu einem mittleren Bereich der Saugseite 16' der Leitschaufel 10'. Dieser A4-Querschnitt stellt eine für die Strömungsverhältnisse in der Turbinenstufe herrschenden Strömungsverhältnisse eine wichtige Größe dar. Abweichungen von diesem A4-Querschnitt führen zu veränderten Strömungsverhältnissen und können den Wirkungsgrad der Gasturbine negativ beeinflussen.

In Fig. 1 sind mit der gekreuzten Schraffur zwei Leitschaufeln 10, 10' dargestellt, deren Strömungskontur 12, 12' in einem ursprünglichen Zustand dargestellt ist. Man kann auch sagen, dass die beiden Leitschaufeln 10, 10' neuwertig sind. Der A4-Querschnitt QS bzw. der entsprechende Abstand zwischen den beiden Leitschaufeln ist aufgrund der Neuwertigkeit der Leitschaufeln 10, 10' ebenfalls in einem ursprünglichen Maß, so dass ein optimaler Betrieb möglich ist.

Nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden ergeben sich an den Leitschaufeln 10, 10' Veränderungen an der Strömungskontur 12, 12' aufgrund der hohen Temperaturen und des hohen Drucks des durchströmenden Heißgases. Beispielsweise wird auch an der Saugseite 16, 16' Material sukzessive weg erodiert oder es treten auch andere Beschädigungen wie Risse oder Löcher auf. Durch derartigen Verschleiß der Leitschaufeln 10, 10' verändert sich der A4-Querschnitt QS, wobei er um einen Betrag VG vergrößert wird. Der A4-Querschnitt beträgt also in dem in Fig. 2 dargestellten Zustand QS plus VG, so dass der Strömungsquerschnitt zwischen den beiden Leitschaufeln 10, 10' vergrößert ist, was sich nachteilig auf die Strömungsverhältnisse und den Wirkungsgrad der Gasturbine auswirkt. Bauteile, bei denen derartige Abnutzungen auftreten, müssen für den weiteren Betrieb entsprechend wieder Instand gesetzt bzw. repariert werden.

Hierzu kann ein Verfahren zum Einsatz kommen, das nachfolgend anhand der Fig. 3 erläutert wird. Die nachfolgende Beschreibung nennt jeweils beispielhaft nur die Leitschaufel 10, auch wenn das Verfahren für die benachbarte Leitschaufel 10' und weitere Leitschaufeln ebenfalls durchgeführt werden kann. Die Leitschaufel 10 bzw. alle Leitschaufeln einer Turbinenstufe wird zunächst bereitgestellt. Je nach Bauweise einer Turbinenstufe können die Leitschaufeln einzeln bereitgestellt werden, oder mehrere Leitschaufeln können Teil eines Leitschaufelsegments sein, das mehrere insbesondere einstückig miteinander verbundene Leitschaufeln aufweist.

Eine Ist-Geometrie der abgenutzten Leitschaufel 10, die in Fig. 3 oben links dargestellt ist, wird zunächst mittels eines berührungslosen Verfahrens, insbesondere eines optischen Verfahrens erfasst (I). Hier können insbesondere Verfahren wie berührungslose 3D-Scanner oder ähnliches zum Einsatz kommen. Diese Ist-Geometrie, die in der vorliegenden Anmeldung durch die Strömungskontur 12 repräsentiert wird, wird mit einer Soll-Geometrie verglichen. Die Soll-Geometrie SG ist in Fig. 3 oben rechts als punktierte Strömungskontur vereinfacht und schematisch angedeutet. Aus dem Vergleich zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie SG können mittels Optimierungsparametern Ziel-Geometrien berechnet werden, die die Strömungskontur im Bereich des A4-Querschnitts bestmöglich an die Soll-Geometrie annähern.

In einem nächsten Schritt (II) wird Material 22 auf die Leitschaufel 10 aufgetragen. Im vorliegenden Beispiel ist ein Auftrag von Material 22 von der Vorderkante 18 zur Hinterkante 20 entlang der Saugseite 16 dargestellt. Selbstverständlich kann Material 22 gegebenenfalls auch auf der Druckseite 14 aufgebracht werden, auch wenn dies im vorliegenden Beispiel nicht explizit beschrieben wird. Das Auftragen von Material 22 erfolgt insbesondere durch Löten oder Schweißen, vorzugsweise durch Diffusionslöten, um eine optimale Verbindung zwischen dem Auftragsmaterial 22 und der Instand zu setzenden Leitschaufel 10 zu gewährleisten. Das Auftragen von Material 22 kann manuell oder/und automatisiert erfolgen. Die Menge oder/und die Positionen entlang der Leitschaufel bzw. der Strömungskontur 12 können beispielsweise auf Grundlage der Optimierungsparameter festgelegt werden, die zuvor aufgrund des Vergleichs von Ist-Geometrie und Soll-Geometrie ermittelt worden sind.

Nach dem Auftragen von Material 22 wird die Strömungskontur 12 (Ziel-Geometrie ZG) der zu reparierenden Leitschaufel 10 wiederhergestellt durch automatisiertes Abtragen von überschüssigem Material 22 (siehe III). Die Leitschaufel 10 wird hierzu in eine Referenzposition relativ zu einer Bearbeitungseinheit gebracht. Die Bearbeitungseinheit ist dabei dazu eingerichtet auf Grundlage der Optimierungsparameter bzw. Daten über die zu erreichende Ziel-Geometrie einen exakten Abtrag von Material 22 durchzuführen. Das Abtragen von Material 22 erfolgt dabei vorzugsweise durch Schleifen oder Fräsen. Nach dem spanenden Abtrag von überschüssigem Material 22 weist die Leitschaufel 10 eine Strömungskontur 12 auf, die im Wesentlichen wieder der Soll-Geometrie entspricht, wobei die Leitschaufel 10 einen Teil aus ursprünglichem Material enthält und einen Teil aus zusätzlich aufgetragenem Material 22.

Betrachtet man nach einem solchen weitgehend automatisiert durchgeführten Reparaturverfahren zwei benachbarte reparierte Leitschaufeln 10, 10', wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, wird ersichtlich, dass der A4-Querschnitt QS im Wesentlichen wieder dem ursprünglichen A4-Querschnitt QS und der ursprünglichen Strömungskontur (Fig. 1) entspricht. Somit wurde die Vergrößerung VG des Strömungsquerschnitts (Fig. 2) durch das Auftragen von Material 22 in den entsprechenden Bereichen der Leitschaufeln 10, 10' aufgehoben, so dass mit den reparierten Leitschaufeln 10, 10' wieder ein optimaler Betrieb der Gasturbine möglich ist.

Es ist zu beachten, dass auf Grundlage der Erfassung der Ist-Geometrie für jede Leitschaufel individuelle Optimierungsparameter berechnet werden können, die davon abhängen, in welchem Abnutzungszustand die entsprechende Leitschaufel zur Instandhaltung gelangt ist. Da die weiteren Schritte der Reparatur vorzugsweise von der Ist-Geometrie abhängig gemacht werden können, kann gewährleistet werden, dass für jede Leitschaufel der erforderliche Materialauftrag und ein automatisierter Materialabtrag optimiert erfolgen kann, und die Ziel-Geometrie für jede Leitschaufel wieder hergestellt werden kann. Die automatisierte Bearbeitung führt auch zu einem insgesamt verbesserten Ergebnis für alle reparierten bzw. Instand gesetzten Leitschaufeln, wenn reparierte Leitschaufeln untereinander verglichen werden, da für alle Leitschaufeln annähernd dieselbe Ziel-Geometrie wieder hergestellt wird und alle Leitschaufeln aufgrund von berechneten Optimierungsparametern weitgehend automatisiert bearbeitet werden können.

Das hier vorgestellte Verfahren kann beispielsweise an verschiedenen Stationen einer Instandhaltungswerkstätte durchgeführt werden. Bei der Durchführung von automatisierten Schritten, wie etwa der Erfassung der Ist-Geometrie, dem Vergleich von Ist-Geometrie und Soll-Geometrie, der Berechnung von Optimierungsparamatern, dem automatisierten Abtragen von aufgetragenem Material, kommt vorzugsweise wenigstens eine Rechnereinheit zum Einsatz, die dazu eingerichtet ist, entsprechende Erfassungsvorrichtungen bzw. Werkzeugvorrichtungen anzusteuern, insbesondere auf Grundlage der erfassten bzw. berechneten Daten zur Ziel-Geometrie.

Daten, welche die Soll-Geometrie einer Leitschaufel repräsentieren, können beispielsweise dadurch erfasst werden, dass die Geometrie einer neuwertigen Leitschaufel von außen mittels entsprechender Erfassungsvorrichtungen erfasst wird, etwa durch berührungsloses 3D-Scanning, insbesondere optischen Erfassungsverfahren. Alternativ können die Daten der Soll-Geometrie auch aus Konstruktionsdaten abgeleitet sein, die für einen bestimmten Leitschaufeltyp vorliegen und welche die Grundlage dafür bilden, eine neuwertige Leitschaufel herzustellen.

10

Turbinenschaufel bzw. Leitschaufel

12

Strömungskontur

14

Druckseite

16

Saugseite

18

Vorderkante

20

Hinterkante

22

Material

QS

A4-Querschnitt

SG

Soll-Geometrie

VG

Vergrößerung